光芯片國產(chǎn)替代迎來新機(jī)遇

顏媛媛

中科院光芯片取得重大突破

日前，中國科學(xué)院發(fā)布消息稱，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微波光電子課題組李明研究員－祝寧華院士團(tuán)隊(duì)研制出一款超高集成度光學(xué)卷積處理器。相關(guān)研究成果以Compact opticalconvolution processing unit based on multimodeinterference 為題，發(fā)表在《自然－通訊》上。

該團(tuán)隊(duì)提出的光學(xué)卷積處理單元實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了手寫數(shù)字圖像特征提取和分類能力。結(jié)果表明，圖像特征提取精度達(dá)到5 bit；對(duì)來自MNIST 手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫的手寫數(shù)字進(jìn)行分類，準(zhǔn)確率達(dá)92.17%。與其他光計(jì)算方案相比，該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）高算力密度：將光波分復(fù)用技術(shù)與光多模干涉技術(shù)相結(jié)合，采用4 個(gè)調(diào)控單元實(shí)現(xiàn)3 個(gè)2×2 實(shí)值Kernel 并行運(yùn)算，算力密度達(dá)到12.74-T MACs/s/mm2。（2）線性擴(kuò)展性：調(diào)控單元數(shù)量隨著矩陣規(guī)模線性增長，具有很強(qiáng)的大規(guī)模集成的潛力。

這標(biāo)志著我國在光計(jì)算方面有了重大突破。中信建投更是直接喊出此項(xiàng)技術(shù)的突破在AI 領(lǐng)域具有廣闊前景。據(jù)了解，光計(jì)算是一種利用光波作為載體進(jìn)行信息處理的技術(shù)，具有大帶寬、低延時(shí)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，提供了一種“傳輸即計(jì)算，結(jié)構(gòu)即功能”的計(jì)算架構(gòu)，有望避免馮·諾依曼計(jì)算范式中存在的數(shù)據(jù)潮汐傳輸問題。

中信建投指出，近年來光計(jì)算在AI 領(lǐng)域呈現(xiàn)高速的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。以Lightmatter 和Lightelligence 為代表的公司，推出了新型的硅光計(jì)算芯片，性能遠(yuǎn)超目前的AI 算力芯片，據(jù)Lightmatter 的數(shù)據(jù)，他們推出的Envise 芯片的運(yùn)行速度比英偉達(dá)的A100 芯片快1.5 到10 倍。

光芯片需求迎來全面爆發(fā)

激光器芯片和探測器芯片就合稱為光芯片，光芯片是實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)元件，其性能決定了光通信系統(tǒng)的傳輸效率。與傳統(tǒng)的光學(xué)元件相比，光芯片具有體積小、重量輕、功耗低、集成度高等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度、高可靠的光學(xué)信號(hào)處理和傳輸。在算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)海量增長的背景下，光芯片將會(huì)迎來巨大的機(jī)會(huì)。

隨著傳輸速率的提高，光芯片在光模塊成本中的比例也越來越大，10Gbps 以下光模塊中光芯片占比 30%，10Gbps-25Gbps 光模塊中占比 40%， 而25Gbps 以上光模塊中光芯片的占比則達(dá)到了 60%。

當(dāng)前新一輪以 AI 為代表的科技革命正席卷全球，OpenAI 開發(fā)的 ChatGPT 使得 AIGC 備受關(guān)注。而在AIGC 商業(yè)化應(yīng)用加速落地的背景下，算力基礎(chǔ)設(shè)施的海量增長和升級(jí)換代將成為必然趨勢。

光模塊現(xiàn)階段主要應(yīng)用于光通信領(lǐng)域， 根據(jù)LightCounting 數(shù)據(jù)測算，2022 年全球光模塊市場規(guī)模同比增長 14%，預(yù)計(jì) 2022-2027 年全球光模塊市場CAGR 為 10%，在 2027 年將超過200 億美元。

國產(chǎn)替代加速

光芯片是光通信技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)之一。

歐美國家光芯片技術(shù)領(lǐng)先，國內(nèi)光芯片企業(yè)追趕較快，目前全球市場由美中日三國占據(jù)主導(dǎo)地位。 海外光芯片企業(yè)已形成產(chǎn)業(yè)閉環(huán)和高行業(yè)壁壘，可自主完成芯片設(shè)計(jì)、晶圓外延等關(guān)鍵工序，可量產(chǎn)25Gbps 及以上速率的光芯片。部分中國光芯片企業(yè)已具備領(lǐng)先水平，隨著技術(shù)能力提升和市場 認(rèn)可度提高，競爭力將進(jìn)一步增強(qiáng)。

經(jīng)過多年的發(fā)展，各類光芯片國產(chǎn)替代率分化明顯，不過高端光芯片國產(chǎn)替代率仍較低，具體格局如下——·

2.5Gbps 及以下光芯片：主要應(yīng)用于光纖接入市場，國內(nèi)光芯片企業(yè)已經(jīng)占據(jù)主要市場份額。

·10Gbps 光芯片：主要應(yīng)用在光纖接入市場、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)市場和數(shù)據(jù)中心市場。我國光芯片企業(yè)已基本掌握10G 光芯片的核心技術(shù)，但部分型號(hào)產(chǎn)品仍存在較高技術(shù)門檻，依賴進(jìn)口。

·25Gbps 及以上光芯片：主要應(yīng)用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)市場和數(shù)據(jù)中心市場，包括25Gbps、50Gbps、100Gbps 激光器及探測器芯片。

而從高速率光芯片市場來看，對(duì)外依存度較高。25Gbps 及以上速率屬于高速率光芯片，目前由歐美日領(lǐng)先企業(yè)占主導(dǎo)，Oclaro、Avago、NeoPhotonics 等具備50Gbps EML 芯片能力，DFB 和VCSEL 激光器芯片大規(guī)模商用的最高速率已達(dá)到50Gbps，F(xiàn)inisar、AAOI、Oclaro 具備50Gbps PAM4 DML 芯片的能力，國內(nèi)與海外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平存在一定差距。

好在當(dāng)前光芯片主要應(yīng)用場景包括光纖接入、4G/5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等，都處于速率升級(jí)、代際更迭的關(guān)鍵窗口期，在對(duì)高速傳輸需求不斷提升背景下，未來25Gbps 以上速率光模塊所使用的光芯片占比將逐漸擴(kuò)大，到2025 年，整體市場空間將達(dá)43.40億美元，年均復(fù)合增長率將達(dá)到21.40%，國內(nèi)廠商在高速率光芯片領(lǐng)域有望憑借自身技術(shù)實(shí)力綁定優(yōu)質(zhì)客戶，從而最終實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。